JP2014177371A - Titanium dioxide, lithium ion secondary battery, hybrid capacitor and method of producing titanium dioxide - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide titanium dioxide which is easy to synthesize and has excellent battery characteristics.SOLUTION: Titanium dioxide consists of a fine crystal aggregate as an aggregate of primary particles which are formed from titanium oxide containing an alkali metal. The primary particle has a laminar structure and is a spherical particle of a particle size of 1 μm or smaller, and the fine crystal aggregate has no orientation.

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池及びハイブリッドキャパシタの電極活物質となる二酸化チタン及びその製造方法、並びに、二酸化チタンを電極活物質として用いたリチウムイオン二次電池及びハイブリッドキャパシタに関する。   The present invention relates to a titanium dioxide serving as an electrode active material of a lithium ion secondary battery and a hybrid capacitor, a manufacturing method thereof, and a lithium ion secondary battery and a hybrid capacitor using titanium dioxide as an electrode active material.

近年多用されるリチウムイオン二次電池やハイブリッドキャパシタ等の蓄電デバイスにおいては、リチウムイオンの固相内での移動や正負イオンの吸着で充放電が行われる。これらの蓄電デバイスは、使用される携帯用機器の小型高性能化に伴って、高エネルギー密度化や高出力化が求められている。   In power storage devices such as lithium ion secondary batteries and hybrid capacitors that are frequently used in recent years, charge and discharge are performed by movement of lithium ions in a solid phase and adsorption of positive and negative ions. These power storage devices are required to have higher energy density and higher output as the portable equipment used is smaller and higher in performance.

現在、リチウムイオン二次電池用の正極活物質としては数多くのものが存在するが、最も一般的に知られているのは、作動電圧が4V(vs.Li/Li)付近のリチウムコバルト酸化物(LiCoO)や、リチウムニッケル酸化物(LiNiO)、又はスピネル構造を持つリチウムマンガン酸化物(LiMn)等を基本構成とするリチウム含有遷移金属酸化物である。これらは、充放電特性とエネルギー密度に優れることから正極活物質として広く採用されている。
また、負極活物質としては、ハードカーボン、ソフトカーボン、及び黒鉛等の炭素材料が広く用いられており、電解液にはLiPFを環状及び鎖状カーボネートに溶解したものが用いられている。
Currently, there are many positive electrode active materials for lithium ion secondary batteries, but the most commonly known one is lithium cobalt oxidation with an operating voltage of around 4 V (vs. Li / Li + ). It is a lithium-containing transition metal oxide having a basic structure of an oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium manganese oxide having a spinel structure (LiMn 2 O 4 ), or the like. These are widely employed as positive electrode active materials because of their excellent charge / discharge characteristics and energy density.
As the negative electrode active material, hard carbon, soft carbon, and a carbon material is widely used, such as graphite, which the LiPF 6 in the electrolytic solution was dissolved in cyclic and linear carbonate are used.

しかしながら、今後の中型・大型電池への展開、特に大きな需要が見込まれるハイブリッドカー(Hybrid Electric Vehicle;HEV)や電気自動車(Electric Vehicle;EV)への搭載を考えた場合に、現在の小型電池の仕様ではHEVやEV用途で要求される安全性及び長寿命を満足することができない。   However, when considering the future development of medium-sized and large-sized batteries, especially for mounting on hybrid electric vehicles (HEVs) and electric vehicles (EVs), which are expected to be in great demand, The specifications cannot satisfy the safety and long life required for HEV and EV applications.

このような状況下、チタン酸化物系活物質を電極活性物質として用いる検討がなされている。このチタン酸化物系活物質は、対極にリチウム金属を使用した場合に、約1〜2V程度の電圧となる。そのため、様々な結晶構造、或いは粒子形状を有するチタン酸化物系活物質が、電極活物質として検討されている。   Under such circumstances, studies have been made on using a titanium oxide-based active material as an electrode active material. This titanium oxide-based active material has a voltage of about 1-2 V when lithium metal is used for the counter electrode. Therefore, titanium oxide-based active materials having various crystal structures or particle shapes have been studied as electrode active materials.

中でも、ブロンズ型の結晶構造を有する二酸化チタン(ブロンズ型酸化チタン、以下、「TiO(B)」と称す)は、Li4+xTi12(0≦x≦3)で表されるスピネル型チタン酸リチウムよりも高容量とされ、リチウムイオン二次電池の電極活物質として着目されている。 Among them, titanium dioxide having a bronze type crystal structure (bronze type titanium oxide, hereinafter referred to as “TiO 2 (B)”) is a spinel type represented by Li 4 + x Ti 5 O 12 (0 ≦ x ≦ 3). Its capacity is higher than that of lithium titanate, and has attracted attention as an electrode active material for lithium ion secondary batteries.

例えば、ナノワイヤやナノチューブ等のナノスケールの形状を有するTiO(B)活物質は、300mAh/gを越える初期放電容量を有する電極材料として、注目されている(例えば、非特許文献1参照)。 For example, a TiO 2 (B) active material having a nanoscale shape such as a nanowire or a nanotube has attracted attention as an electrode material having an initial discharge capacity exceeding 300 mAh / g (see, for example, Non-Patent Document 1).

しかしながら、これらのナノワイヤやナノチューブ等のTiO(B)では、初期の挿入反応により挿入されたリチウムイオンの一部が脱離されないために、放出されないリチウムイオンの存在によって不可逆容量が大きくなる。その結果、ナノワイヤやナノチューブ等のTiO(B)の初期充放電効率(=充電容量(リチウム脱離量)÷放電容量(リチウム挿入量))が73%程度となり、高容量系のリチウムイオン二次電池における電極材料としての適用には課題があった。 However, in these TiO 2 (B) such as nanowires and nanotubes, a part of the lithium ions inserted by the initial insertion reaction is not desorbed, so the irreversible capacity increases due to the presence of lithium ions that are not released. As a result, the initial charge / discharge efficiency (= charge capacity (lithium desorption amount) ÷ discharge capacity (lithium insertion amount)) of TiO 2 (B) such as nanowires and nanotubes is about 73%, and high capacity lithium ion 2 There was a problem in application as an electrode material in a secondary battery.

また、これらの前駆体となるアルカリ含有チタン酸の合成には、大量生産に不向きな水熱合成法が用いられている。また、これらのナノワイヤやナノチューブ等のTiO(B)では、得られる粒子の形状も異方的であり、体積当たりのエネルギー密度を高く保つのに欠かせない高密度電極の作成が困難となる。 Moreover, the hydrothermal synthesis method unsuitable for mass production is used for the synthesis | combination of the alkali containing titanic acid used as these precursors. In addition, with these TiO 2 (B) such as nanowires and nanotubes, the shape of the obtained particles is also anisotropic, making it difficult to produce a high-density electrode that is indispensable for maintaining a high energy density per volume. .

これに対し、大量生産に適した固相法により前駆体を得る方法としては、高温焼成により前駆体となるNaTiやKTiを経由する方法が開示されている(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3参照)。 On the other hand, as a method for obtaining a precursor by a solid phase method suitable for mass production, a method via Na 2 Ti 3 O 7 or K 2 Ti 4 O 9 which is a precursor by high-temperature firing is disclosed. (For example, refer to Patent Document 1, Patent Document 2, and Patent Document 3).

特開2011−241100号公報JP 2011-241100 A 特開2008−34368号公報JP 2008-34368 A 特開2008−117625号公報JP 2008-117625 A

A. R. Armstrong, G. Armstrong, J. Canales, R. Garcia, P. G. Bruce, Advanced Materials, 17, 862-865 (2005)A. R. Armstrong, G. Armstrong, J. Canales, R. Garcia, P. G. Bruce, Advanced Materials, 17, 862-865 (2005)

しかしながら、これらの特許文献1、特許文献2及び特許文献3によれば、純粋な前駆体の合成には、高温焼成を2回繰り返す必要があり、プロトン交換反応も12時間毎に塩酸溶液を交換し、5日間処理を続ける必要があるという煩雑なものである。   However, according to these Patent Document 1, Patent Document 2 and Patent Document 3, it is necessary to repeat high-temperature calcination twice for the synthesis of a pure precursor, and the proton exchange reaction also involves replacing the hydrochloric acid solution every 12 hours. In addition, it is complicated that it is necessary to continue the processing for 5 days.

また、特許文献1に開示されるTiO(B)は、初期放電容量が200mAh/gと高い値を示すものの、高電流密度での容量低下が著しく大きいことが明らかとなった。また、特許文献2に開示されるTiO(B)では、十分な初期放電容量及び初期充放電効率が得られないことが明らかとなった。また、特許文献3に開示されるTiO(B)は、電気化学特性は大きく改善できるものの、合成上の困難さは未解決である。 Further, TiO 2 (B) disclosed in Patent Document 1 has an initial discharge capacity as high as 200 mAh / g, but it has been clarified that the capacity decrease at a high current density is remarkably large. Further, it has been clarified that TiO 2 (B) disclosed in Patent Document 2 cannot obtain a sufficient initial discharge capacity and initial charge / discharge efficiency. Further, TiO 2 (B) disclosed in Patent Document 3 can greatly improve the electrochemical characteristics, but the difficulty in synthesis is unsolved.

本発明は、上述のような課題を解消するためになされたもので、合成が容易で電池特性に優れた二酸化チタン、二酸化チタンを負極活物質として用いたリチウムイオン二次電池及びハイブリッドキャパシタ、並びに、二酸化チタンの製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems. Titanium dioxide, which is easy to synthesize and has excellent battery characteristics, a lithium ion secondary battery and a hybrid capacitor using titanium dioxide as a negative electrode active material, and An object of the present invention is to provide a method for producing titanium dioxide.

この発明に係る二酸化チタンにおいては、アルカリ金属を含有するチタン酸化物から生成される一次粒子の集合体としての微結晶集合体である二酸化チタンであって、一次粒子が、層状構造を有し、粒子径を1μm以下とする球状粒子であり、微結晶集合体が、配向性を有しないものである。   In the titanium dioxide according to the present invention, titanium dioxide is a microcrystalline aggregate as an aggregate of primary particles generated from titanium oxide containing an alkali metal, and the primary particles have a layered structure, It is a spherical particle having a particle diameter of 1 μm or less, and the microcrystalline aggregate has no orientation.

開示の二酸化チタンは、リチウムイオン二次電池の電極材料として用いたときに、優れた初期放電容量及び初期充放電効率を示すリチウムイオン二次電池を提供することができると共に、ハイブリッドキャパシタの負極としても使用できるという効果を奏する。   The disclosed titanium dioxide can provide a lithium ion secondary battery exhibiting excellent initial discharge capacity and initial charge / discharge efficiency when used as an electrode material of a lithium ion secondary battery, and as a negative electrode of a hybrid capacitor. Also has the effect that can be used.

(a)は700℃の焼成で得られた前駆体(KLi0.6Ti9.3)のSEM像であり、(b)は800℃の焼成で得られた前駆体(KLi0.6Ti9.3)のSEM像であり、(c)は900℃の焼成で得られた前駆体(KLi0.6Ti9.3)のSEM像であり、(d)は1000℃の焼成で得られた前駆体(KLi0.6Ti9.3)のSEM像である。(A) is an SEM image of a precursor (K 2 Li 0.6 Ti 4 O 9.3 ) obtained by firing at 700 ° C., and (b) is a precursor (K) obtained by firing at 800 ° C. 2 Li 0.6 Ti 4 O 9.3 ), and (c) is an SEM image of a precursor (K 2 Li 0.6 Ti 4 O 9.3 ) obtained by firing at 900 ° C. And (d) is an SEM image of a precursor (K 2 Li 0.6 Ti 4 O 9.3 ) obtained by firing at 1000 ° C. 3N硝酸プロトン交換反応後の350℃熱処理試料のX線回折(XRD)図である。It is an X-ray diffraction (XRD) figure of the 350 degreeC heat processing sample after 3N nitrate proton exchange reaction. (a)は焼成温度を700℃とする前駆体から合成した二酸化チタン試料を活物質とし、負極に金属リチウムを用いたリチウム電池のdQ/dV曲線を示すグラフであり、(b)は実施例1並びに実施例2の放電レート特性及びサイクル特性を示す特性図である。(A) is a graph which shows the dQ / dV curve of the lithium battery which used the titanium dioxide sample synthesize | combined from the precursor which makes baking temperature 700 degreeC as an active material, and used metallic lithium for the negative electrode, (b) is an Example. 1 is a characteristic diagram showing discharge rate characteristics and cycle characteristics of Example 1 and Example 2. FIG.

(本発明の第1の実施形態)
本実施形態に係る二酸化チタン(TiO)は、アルカリ金属を含有するチタン酸化物から生成される一次粒子の集合体としての微結晶集合体であり、配向性を有しないものである。
また、二酸化チタンの一次粒子は、層状構造を有し、粒子径を1μm以下とする球状粒子である。
(First embodiment of the present invention)
Titanium dioxide (TiO 2 ) according to this embodiment is a microcrystalline aggregate as an aggregate of primary particles generated from a titanium oxide containing an alkali metal, and has no orientation.
The primary particles of titanium dioxide are spherical particles having a layered structure and a particle diameter of 1 μm or less.

また、本実施形態に係るチタン酸化物は、アルカリ金属として、リチウム(Li)とカリウム(K)、ルビジウム(Rb)若しくはセシウム(Cs)との2種、又はセシウム(Cs)の1種を含有し、所定の組成により、層状構造を有する二酸化チタンの前駆体となる。
特に、本実施形態に係るチタン酸化物は、KLiTi2−(x+y)/4(但し、3<(x/y)<3.6)、RbLiTi2−(x+y)/4(但し、3<(x/y)<3.5)、CsLiTi2−(x+y)/4(但し、3<(x/y)<3.5)、又は、CsTi2−x/4(但し、0.7<x<0.9)である。
Moreover, the titanium oxide according to the present embodiment contains two types of lithium (Li) and potassium (K), rubidium (Rb) or cesium (Cs), or one type of cesium (Cs) as an alkali metal. And it becomes a precursor of titanium dioxide having a layered structure with a predetermined composition.
In particular, the titanium oxide according to the present embodiment includes K x Li y Ti 2− (x + y) / 4 O 4 (where 3 <(x / y) <3.6), Rb x Li y Ti 2− ( x + y) / 4 O 4 (where 3 <(x / y) <3.5), Cs x Li y Ti 2− (x + y) / 4 O 4 where 3 <(x / y) <3.5 ) Or Cs x Ti 2-x / 4 O 4 (where 0.7 <x <0.9).

また、本実施形態に係る二酸化チタンの製造方法は、アルカリ金属を含有するチタン酸化物を500℃〜800℃で焼成する焼成工程と、焼成されたチタン酸化物を酸性水溶液に含浸してチタン酸を生成するチタン酸生成工程と、生成したチタン酸を焼成して二酸化チタンを生成する二酸化チタン生成工程と、を少なくとも含む。   In addition, the method for producing titanium dioxide according to the present embodiment includes a firing step of firing an alkali metal-containing titanium oxide at 500 ° C. to 800 ° C., and impregnating the fired titanium oxide in an acidic aqueous solution to titanate. And at least a titanium dioxide production step of producing titanium dioxide by firing the produced titanic acid.

なお、本願発明者は、層状構造を有するレピドクロサイト(lepidocrocite)構造を持つ前駆体(チタン酸化物)の利用が、合成が容易で電池特性に優れた二酸化チタンの生成に有効であることを、以下のように見出した。   The present inventor has shown that the use of a precursor (titanium oxide) having a lepidocrocite structure having a layered structure is effective in producing titanium dioxide that is easy to synthesize and has excellent battery characteristics. And found as follows.

層状構造を有するレピドクロサイト構造を持つ前駆体は、広範な温度範囲(500℃〜1000℃)で合成することができる。
特に、800℃以下の低温焼成で得られる前駆体は、図1(a)及び図1(b)に示すように、一次粒子の粒子径(一次粒子サイズ)が1μm以下(700℃:約0.5μm、800℃:約1μm)の微結晶集合体となるが、900℃以上の高温焼成で合成した前駆体は、図1(c)及び図1(d)に示すように、一次粒子の粒子径が数十ミクロン(900℃:5μm〜10μm、1000℃:30μm〜80μm)の結晶を与える。
A precursor having a repidocrocite structure having a layered structure can be synthesized in a wide temperature range (500 ° C. to 1000 ° C.).
In particular, as shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), the precursor obtained by low-temperature firing at 800 ° C. or less has a primary particle size (primary particle size) of 1 μm or less (700 ° C .: about 0). 0.5 μm, 800 ° C .: about 1 μm), but the precursor synthesized by high-temperature firing at 900 ° C. or higher is composed of primary particles as shown in FIG. 1 (c) and FIG. 1 (d). Crystals having a particle size of several tens of microns (900 ° C .: 5 μm to 10 μm, 1000 ° C .: 30 μm to 80 μm) are given.

また、一次粒子の結晶は、前駆体の焼成温度が高くなるにつれて大きくなり、平板状結晶に成長する(700℃:球状粒子、800℃:やや平板状粒子、900℃:平板状粒子、1000℃:平板状粒子)。また、高温焼成で合成した前駆体は、X線回折(X‐ray diffraction:XRD)により評価すると、CuKα線を用いて測定した2θの値である12°及び28°における(0k0)面の回折線の強度比が変化する。なお、(130)面の回折線の強度に対する(020)面の回折線の強度の比((020)/(130)強度比)は、焼成温度700℃で0.85であり、焼成温度800℃で0.84であり、焼成温度900℃で1.74であり、焼成温度1000℃で2.39であり、900℃以上の高温焼成で粒子が平板状に成長して配向するため、(020)面の回折線の強度が増大している。   Also, the primary particle crystals grow as the precursor firing temperature increases and grow into tabular crystals (700 ° C .: spherical particles, 800 ° C .: somewhat tabular particles, 900 ° C .: tabular particles, 1000 ° C. : Tabular grains). Further, the precursor synthesized by high-temperature firing is evaluated by X-ray diffraction (XRD), and the diffraction of the (0k0) plane at 12 ° and 28 °, which are 2θ values measured using CuKα rays. The intensity ratio of the line changes. The ratio of the intensity of the (020) plane diffraction line to the intensity of the (130) plane diffraction line ((020) / (130) intensity ratio) is 0.85 at a firing temperature of 700 ° C., and the firing temperature of 800 0.84 at ℃, 1.74 at a calcination temperature of 900 ° C, 2.39 at a calcination temperature of 1000 ° C, and the grains grow and align in a plate shape by high-temperature calcination at 900 ° C or higher. The intensity of the 020) plane diffraction line is increased.

また、高温焼成で合成した前駆体は、プロトン交換反応を適用することにより、(020)面に沿って劈開し易く、b軸方向の厚みが著しく減少する。ここで生成するチタン酸は、加熱処理により、ブロンズ相の二酸化チタンに250℃以上の熱処理で転移する。   Moreover, the precursor synthesized by high-temperature firing is easily cleaved along the (020) plane by applying a proton exchange reaction, and the thickness in the b-axis direction is remarkably reduced. The titanic acid produced | generated here transfers to the titanium dioxide of a bronze phase by heat processing at 250 degreeC or more by heat processing.

なお、リチウムイオン二次電池の性能は、固体内でのリチウムイオン(Li)の拡散が重要な因子となる。固体内でのリチウムイオンの拡散速度が遅い場合に、リチウムイオン二次電池の高い性能を維持するには、二酸化チタンの微粒子化により、拡散距離を小さくする必要がある。また、リチウムイオンは、リチウムイオン二次電池の電池材料として使用する場合に、ブロンズ相のc軸方向のトンネル内を拡散する。この方向は、チタン酸のc軸方向、即ち、劈開面と平行方向であり、劈開により結晶を小さくしても拡散方向の長さが小さくなることはない。このため、高温焼成で合成した前駆体では、劈開を進行させて微粒子化を図っても、電池特性の向上にはつながらない。 It should be noted that the diffusion of lithium ions (Li + ) in the solid is an important factor in the performance of the lithium ion secondary battery. In order to maintain the high performance of the lithium ion secondary battery when the diffusion rate of lithium ions in the solid is slow, it is necessary to reduce the diffusion distance by making fine particles of titanium dioxide. Further, when used as a battery material of a lithium ion secondary battery, lithium ions diffuse in the tunnel in the c-axis direction of the bronze phase. This direction is the c-axis direction of titanic acid, that is, a direction parallel to the cleavage plane, and the length in the diffusion direction is not reduced even if the crystal is reduced by cleavage. For this reason, the precursor synthesized by high-temperature firing does not lead to improvement of battery characteristics even if the cleavage is advanced to make fine particles.

なお、二酸化チタンの合成に用いる前駆体には、界面がステップ状で粒子が層状構造のNaTi、KTi及びCsTi11などが知られているが、これらを単一相で合成するには、高温焼成が不可欠である。
この結果、合成試料は、結晶形を反映したロッド状の形態をもつ1μm以上の一次粒子を形成する。そして、イオン交換プロセスでは、形状が維持され、その後の熱処理では、リチウムイオンの拡散距離の長い二酸化チタンが生成され、電池特性が劣ることになる。
As precursors used for the synthesis of titanium dioxide, Na 2 Ti 3 O 7 , K 2 Ti 4 O 9, Cs 2 Ti 5 O 11, etc. whose interface is stepped and whose layer is a layered structure are known. In order to synthesize them in a single phase, high-temperature firing is indispensable.
As a result, the synthetic sample forms primary particles of 1 μm or more having a rod-like shape reflecting the crystal form. In the ion exchange process, the shape is maintained, and in the subsequent heat treatment, titanium dioxide having a long lithium ion diffusion distance is generated, resulting in poor battery characteristics.

この観点から考えると、レピドクロサイト相は、チタン酸化物を500℃〜800℃の低温で焼成して合成することにより、微結晶集合体となり、二酸化チタンの前駆体として最適である。   From this point of view, the lipidocrosite phase becomes a microcrystalline aggregate by baking and synthesizing titanium oxide at a low temperature of 500 ° C. to 800 ° C., and is optimal as a precursor of titanium dioxide.

また、レピドクロサイト相のプロトン交換反応は複雑である。例えば、900℃で合成したK0.86Ti1.72Li0.26を、3mol/L塩酸(3N HCl)で温度を変えてプロトン交換すると、反応は全て24時間以内に終了する。しかしながら、プロトン交換温度が80℃以上である場合には、ルチル相とアナターゼ相とが副生し、プロトン交換温度が高くなる程、これらの相の生成が優先的になる。このため、プロトン交換温度は、70℃以下で行う必要がある。また、低角側に現れるチタン酸の回折ピークの位置も温度に依存し、室温近傍で最も低角側に出現する。この場合に、多くの(0k0)面の回折線が強く表れることに特色がある。 Moreover, the proton exchange reaction of the lipidocrosite phase is complicated. For example, when K 0.86 Ti 1.72 Li 0.26 O 4 synthesized at 900 ° C. is subjected to proton exchange at 3 mol / L hydrochloric acid (3N HCl) while changing the temperature, all the reactions are completed within 24 hours. However, when the proton exchange temperature is 80 ° C. or higher, a rutile phase and an anatase phase are by-produced, and the higher the proton exchange temperature, the more preferential production of these phases is. For this reason, it is necessary to perform proton exchange temperature at 70 degrees C or less. The position of the titanic acid diffraction peak appearing on the low angle side also depends on the temperature, and appears on the low angle side most near room temperature. In this case, a feature is that many (0k0) plane diffraction lines appear strongly.

また、前駆体の粒子径は、チタン酸の収量に大きく依存する。例えば、プロトン交換反応に塩酸を用い、カリウムイオン(K)及びリチウムイオン(Li)のプロトンへのイオン交換を行うと、3mol/L(3N)以下の場合は重量ベースで70%以上のチタン酸が回収できる。酸濃度を上げて5mol/L塩酸(5N HCl)にすると、一次粒子径の小さい焼成温度600〜800℃で合成した前駆体では、チタン酸の収率が10%以下まで低下する。 The particle size of the precursor greatly depends on the yield of titanic acid. For example, when hydrochloric acid is used for the proton exchange reaction and potassium ions (K + ) and lithium ions (Li + ) are ion-exchanged to protons, the amount is 70% or more on a weight basis in the case of 3 mol / L (3N) or less. Titanic acid can be recovered. When the acid concentration is increased to 5 mol / L hydrochloric acid (5N HCl), the yield of titanic acid is reduced to 10% or less in the precursor synthesized at a firing temperature of 600 to 800 ° C. with a small primary particle size.

なお、前駆体からのチタン酸の合成には、塩酸及び硝酸が使用できるのであるが、塩酸は、熱処理過程で完全に除去することが可能であり、最終的に合成するブロンズ相の1サイクル目の不可逆容量が小さくなり、不可逆容量を最小限に抑制することができるため、塩酸の方が電池材料を生成するうえで望ましい。   In addition, hydrochloric acid and nitric acid can be used for the synthesis of titanic acid from the precursor, but hydrochloric acid can be completely removed in the heat treatment process, and the first cycle of the bronze phase to be synthesized finally. Since the irreversible capacity is reduced and the irreversible capacity can be suppressed to a minimum, hydrochloric acid is preferable in producing battery materials.

また、プロトン交換反応後の試料(中間体のチタン酸)は、前駆体の焼成温度が700℃の場合に層間距離dが9.22Åであり、前駆体の焼成温度が800℃の場合に層間距離dが9.22Åであり、前駆体の焼成温度が900℃の場合に層間距離dが8.20Åであり、前駆体の焼成温度が1000℃の場合に層間距離dが7.53Åであるため、高温で焼成した前駆体であるほど、層間距離が短くなる。
このため、高温焼成した前駆体に対するプロトン交換反応後の試料(中間体のチタン酸)は、前駆体の結晶性が良好な場合に、水分が共挿入しないものであり、プロトン交換反応による水分の除去量が少なく、重量損失が小さい。
Further, the sample after the proton exchange reaction (intermediate titanic acid) has an interlayer distance d of 9.22 mm when the precursor firing temperature is 700 ° C., and an interlayer when the precursor firing temperature is 800 ° C. When the distance d is 9.22 mm, when the precursor baking temperature is 900 ° C., the interlayer distance d is 8.20 mm, and when the precursor baking temperature is 1000 ° C., the interlayer distance d is 7.53 mm. Therefore, the higher the temperature of the precursor, the shorter the interlayer distance.
For this reason, the sample after the proton exchange reaction to the precursor calcined at high temperature (intermediate titanic acid) is one in which moisture does not co-insert when the crystallinity of the precursor is good. The removal amount is small and the weight loss is small.

また、チタン酸は、様々な前駆体から合成できるのであるが、各前駆体から合成したチタン酸におけるX線回折(XRD)図、赤外吸収スペクトル及びラマンスペクトルは類似し、その違いを明確にすることは困難である。しかしながら、チタン酸の熱処理プロセス中に、アナターゼ相への転移の中間過程に生じるブロンズ相の生成温度範囲は、前駆体の結晶性や組成に依存する。   In addition, titanic acid can be synthesized from various precursors, but the X-ray diffraction (XRD) diagram, infrared absorption spectrum, and Raman spectrum of titanic acid synthesized from each precursor are similar, and the difference is clarified. It is difficult to do. However, the temperature range of formation of the bronze phase that occurs in the intermediate process of the transition to the anatase phase during the heat treatment process of titanic acid depends on the crystallinity and composition of the precursor.

例えば、900℃で合成したK−Li系レピドクロサイト相の場合、チタン酸に由来するX線回折(XRD)の回折線が消失する熱処理温度は前駆体の組成に拠らずに250℃程度であるが、アナターゼ相への転移は前駆体のK/Ti原子比が0.5の時に最も起き難く、450℃の熱処理でもアナターゼ相の存在は電気化学的な測定でも検出されない。即ち、再現性よくブロンズ相を合成するには、前駆体のK/Li原子比を0.5とする方が望ましい。   For example, in the case of a K—Li-based lipidocrosite phase synthesized at 900 ° C., the heat treatment temperature at which the X-ray diffraction (XRD) diffraction line derived from titanic acid disappears is about 250 ° C. regardless of the composition of the precursor. However, the transition to the anatase phase hardly occurs when the K / Ti atomic ratio of the precursor is 0.5, and the presence of the anatase phase is not detected by electrochemical measurement even at 450 ° C. That is, in order to synthesize a bronze phase with good reproducibility, it is desirable to set the K / Li atomic ratio of the precursor to 0.5.

また、前駆体の焼成温度もアナターゼ相への転移温度に関係する。例えば、900℃で合成した前駆体から得られたチタン酸は、450℃の熱処理ではアナターゼ相への転移は認められなかったものの、1000℃で合成した前駆体から得られたチタン酸は、450℃の熱処理により、一部アナターゼ相へ転移することが確認できた。即ち、低温焼成の結晶性の劣る前駆体から得られたチタン酸ほどアナターゼ相に転移し難いことが明らかとなった。   The firing temperature of the precursor is also related to the transition temperature to the anatase phase. For example, titanic acid obtained from a precursor synthesized at 900 ° C. did not show transition to the anatase phase by heat treatment at 450 ° C., but titanic acid obtained from a precursor synthesized at 1000 ° C. It was confirmed that a part of the anatase phase was transferred by heat treatment at ℃. That is, it has been clarified that titanic acid obtained from a precursor with poor crystallinity at low temperature firing is less likely to transition to the anatase phase.

なお、高温焼成の前駆体から得られた二酸化チタンと低温焼成の前駆体から得られた二酸化チタンとのX線回折(XRD)図における違いは、それほど大きくはない。しかしながら、図2に示すように、CuKα線を用いて測定した2θの値である15°付近や30°付近におけるピークの分裂及びピーク強度の増加が、前駆体の焼成温度が高くなるのに従い連続的に生じる。即ち、前駆体の焼成温度が二酸化チタンの結晶性に影響を及ぼしており、900℃以上の高温焼成の前駆体では高結晶性を有し、800℃以下の低温焼成の前駆体では低結晶性を有している。なお、図2に示すX線回折(XRD)図は、前駆体の焼成温度を700℃、800℃、900℃及び1000℃とした場合における、3mol/L硝酸(3N HNO)を用いてプロトン交換反応でチタン酸を得て、このチタン酸を350℃で熱処理した試料に対して、X線回折(XRD)を行った結果である。また、図2に示す二点鎖線で囲んだX線回折(XRD)図は、本実施形態に係る試料を対象として、X線回折(XRD)を行った結果である。 Note that the difference in the X-ray diffraction (XRD) diagram between titanium dioxide obtained from a precursor for high-temperature firing and titanium dioxide obtained from a precursor for low-temperature firing is not so great. However, as shown in FIG. 2, peak splitting and peak intensity increase around 15 ° or 30 °, which is the value of 2θ measured using CuKα rays, continue as the precursor firing temperature increases. Will occur. That is, the firing temperature of the precursor has an influence on the crystallinity of titanium dioxide. The high temperature firing precursor of 900 ° C. or higher has high crystallinity, and the low temperature firing precursor of 800 ° C. or lower has low crystallinity. have. The X-ray diffraction (XRD) diagram shown in FIG. 2 shows protons using 3 mol / L nitric acid (3N HNO 3 ) when the firing temperature of the precursor is 700 ° C., 800 ° C., 900 ° C., and 1000 ° C. It is the result of performing X-ray diffraction (XRD) with respect to the sample which obtained titanic acid by the exchange reaction and heat-processed this titanic acid at 350 degreeC. Further, the X-ray diffraction (XRD) diagram surrounded by a two-dot chain line shown in FIG. 2 is a result of performing X-ray diffraction (XRD) on the sample according to the present embodiment.

本実施形態に係る低温焼成の前駆体から合成した二酸化チタンの特色は、粒子形態以外として、ラマンスペクトル及び充放電挙動に現れる。
このうち、ラマンスペクトルの形状について、本実施形態に係る二酸化チタン(低結晶性TiO)のスペクトル形状は、従来の二酸化チタン(高結晶性TiO(B):前駆体の焼成温度900℃以上、Raman shift[cm-1]:295,360,430,470,550)のスペクトル形状よりも、むしろ、チタン酸のスペクトル形状に近い。即ち、本実施形態に係る二酸化チタン(低結晶性TiO)のラマンスペクトルは、チタン酸に存在しない510cm−1付近にピークは存在するが、548cm−1にピークは認められず、367cm−1のピークは410cm−1のピークのショルダーピークとなる程度の強度しか持たない。
この結果とX線回折(XRD)による測定結果とを合わせて考えると、本実施形態に係る二酸化チタンは、層状構造とブロンズ相の中間的な構造であると判断することができる。
The characteristics of titanium dioxide synthesized from the low-temperature firing precursor according to the present embodiment appear in the Raman spectrum and the charge / discharge behavior except for the particle form.
Among these, regarding the shape of the Raman spectrum, the spectrum shape of titanium dioxide (low crystalline TiO 2 ) according to this embodiment is the conventional titanium dioxide (high crystalline TiO 2 (B): precursor firing temperature of 900 ° C. or more. , Raman shift [cm −1 ]: 295, 360, 430, 470, 550) rather than the spectral shape of titanic acid. That is, the Raman spectrum of the titanium dioxide according to the present embodiment (low crystalline TiO 2) is the peak near 510 cm -1 is not present in the titanate is present, peak in 548cm -1 is not observed, 367cm -1 This peak has only an intensity that is a shoulder peak of a peak at 410 cm −1 .
Considering this result together with the measurement result by X-ray diffraction (XRD), it can be determined that the titanium dioxide according to the present embodiment is an intermediate structure between the layered structure and the bronze phase.

また、本実施形態に係る二酸化チタンを活物質とし、対極を金属リチウムとして充放電テストを行ったところ、焼成温度が700℃及び800℃である前駆体から生成した二酸化チタンも、ブロンズ相のTiOの充放電曲線に類似する充放電曲線を与えた。また、下表1に示すように700℃および800℃の前駆体から合成した二酸化チタンの可逆容量が大きいことがわかる。 In addition, when a charge / discharge test was performed using the titanium dioxide according to the present embodiment as an active material and the counter electrode as metallic lithium, titanium dioxide produced from a precursor having a firing temperature of 700 ° C. and 800 ° C. is also a bronze phase TiO 2. It gave charge-discharge curve similar to the second charge-discharge curve. Further, as shown in Table 1 below, it can be seen that titanium dioxide synthesized from 700 ° C. and 800 ° C. precursors has a large reversible capacity.

また、本実施形態に係る二酸化チタンの特色は、リチウム二次電池の活物質に用いた場合に、従来の二酸化チタン(TiO(B))と比較して、優れた放電レート特性を有することである。例えば、前駆体の焼成温度が700℃である二酸化チタンでは、0.05Cから0.8Cまでは10%以下の容量の低下しか見られず、1.6Cでも180mAh/g以上の容量を保持することがわかる。なお、本実施形態における1Cは、公称容量値を220mAhg−1として算出したものである。 Further, the feature of the titanium dioxide according to the present embodiment is that it has an excellent discharge rate characteristic when used as an active material of a lithium secondary battery as compared with conventional titanium dioxide (TiO 2 (B)). It is. For example, in titanium dioxide where the firing temperature of the precursor is 700 ° C., only a decrease in capacity of 10% or less is observed from 0.05 C to 0.8 C, and a capacity of 180 mAh / g or more is maintained even at 1.6 C. I understand that. Note that 1C in the present embodiment is calculated with a nominal capacity value of 220 mAhg- 1 .

また、本実施形態に係る二酸化チタンは、リチウム二次電池の活物質に用いた場合に、充放電曲線の特色として、充放電レートを0.05C程度まで下げると現れる。また、本実施形態に係る二酸化チタンは、充放電曲線、特に充電曲線が1.8V以下の領域で二つのプラトーからなることである。これは、充放電曲線を微分することで明確にできる。この微分値(dQ/dV:Qは容量、Vは電圧)は、高結晶性の二酸化チタン(TiO(B))が高電圧側に一つのピークのみを持つのに対し、図3(a)に示すように、本実施形態に係る二酸化チタン(実施例1)は、高結晶性TiO(B)の低電圧側に、もう一つのピークを与えることになる。 Moreover, when the titanium dioxide which concerns on this embodiment is used for the active material of a lithium secondary battery, it will appear when a charge / discharge rate is lowered to about 0.05C as a feature of a charge / discharge curve. Further, the titanium dioxide according to the present embodiment is composed of two plateaus in a region where the charge / discharge curve, particularly the charge curve is 1.8 V or less. This can be clarified by differentiating the charge / discharge curve. This differential value (dQ / dV: Q is a capacity, V is a voltage), while high crystalline titanium dioxide (TiO 2 (B)) has only one peak on the high voltage side, FIG. ), The titanium dioxide according to the present embodiment (Example 1) gives another peak on the low voltage side of the highly crystalline TiO 2 (B).

つぎに、実施例及び比較例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は、下記の実施例に制限するものではない。   Next, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

(実施例1)
まず、原料である、アナターゼ型二酸化チタン7.99gと、炭酸カリウム3.46gと、酢酸リチウム1.53gと、を乳鉢に取り、少量の水を加えて混煉した。
そして、この混煉した原料を蒸発皿に移し、200℃で脱水し、乾燥させた。
さらに、この乾燥させた混合物を500℃、600℃又は700℃で20時間焼成して、二酸化チタンの前駆体であるKLi0.6Ti9.3を生成した。
Example 1
First, 7.99 g of anatase-type titanium dioxide, 3.46 g of potassium carbonate, and 1.53 g of lithium acetate, which are raw materials, were placed in a mortar and mixed with a small amount of water.
The mixed raw material was transferred to an evaporating dish, dehydrated at 200 ° C., and dried.
Furthermore, this dried mixture was baked at 500 ° C., 600 ° C. or 700 ° C. for 20 hours to produce K 2 Li 0.6 Ti 4 O 9.3 which is a precursor of titanium dioxide.

500℃で焼成した生成物(500℃焼成試料)、600℃で焼成した生成物(600℃焼成試料)及び700℃で焼成した生成物(700℃焼成試料)をX線回折(XRD)法により分析した結果、いずれの生成物も原料のアナターゼ相を含まない単一相のレピドクロサイト相であった。   A product calcined at 500 ° C. (a sample calcined at 500 ° C.), a product calcined at 600 ° C. (a calcined sample at 600 ° C.), and a product calcined at 700 ° C. (a calcined sample at 700 ° C.) by an X-ray diffraction (XRD) method. As a result of analysis, all the products were single-phase lepidocrotite phases not containing the raw material anatase phase.

また、これらの前駆体(500℃焼成試料、600℃焼成試料、700℃焼成試料)を走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)により観察した結果、全ての前駆体において、一次粒子の粒子径が1μm以下の球状の微粒子(図1(a)参照)から構成されることがわかった。   Moreover, as a result of observing these precursors (500 ° C. calcined sample, 600 ° C. calcined sample, 700 ° C. calcined sample) with a scanning electron microscope (SEM), the particle size of primary particles in all the precursors Was composed of spherical fine particles of 1 μm or less (see FIG. 1A).

つぎに、700℃焼成試料を2g取り、0℃〜70℃(好ましくは、常温)における100mlの3mol/L塩酸(3N HCl)に一夜(12時間)浸漬した。そして、上澄み液を除去し、蒸留水50mlを加えた。
これらの操作を5回繰り返した後に、ろ過し、80℃で一日乾燥してチタン酸を得た。
Next, 2 g of a 700 ° C. calcined sample was taken and immersed in 100 ml of 3 mol / L hydrochloric acid (3N HCl) at 0 ° C. to 70 ° C. (preferably normal temperature) overnight (12 hours). And the supernatant liquid was removed and 50 ml of distilled water was added.
These operations were repeated 5 times, followed by filtration and drying at 80 ° C. for one day to obtain titanic acid.

得られたチタン酸をX線回折(XRD)により評価したところ、前駆体の回折線は残存せず、完全にチタン酸に変わっていることが確認できた。   When the obtained titanic acid was evaluated by X-ray diffraction (XRD), the diffraction line of the precursor did not remain and it was confirmed that the precursor was completely changed to titanic acid.

このチタン酸の試料を空気中において150℃、250℃、350℃又は450℃で4時間熱処理して、二酸化チタンを得た。   This titanic acid sample was heat treated in air at 150 ° C., 250 ° C., 350 ° C. or 450 ° C. for 4 hours to obtain titanium dioxide.

これらの二酸化チタンをX線回折(XRD)法により分析したところ、チタン酸を250℃以下で熱処理した二酸化チタンのX線回折(XRD)図には、CuKα線を用いて測定した2θが12°及び24°において、チタン酸由来のシャープなピークが残存する。
また、チタン酸を350℃で熱処理した二酸化チタンのX線回折(XRD)図には、シャープなピークが無くなり、ブロンズ相に対応するブロードなピークのみが存在する。
また、チタン酸を450℃で熱処理した二酸化チタンのX線回折(XRD)図も同様に、ブロンズ相に対応するブロードなピークが存在する回折図であるが、CuKα線を用いて測定した2θの値である15°及び30°付近のピーク強度が増加し、よりブロンズ相的な回折図であった。
なお、チタン酸を350℃又は450℃で熱処理した二酸化チタンは、従来の二酸化チタン(TiO(B))と比較して、ピークの数が少なく、X線回折像の線幅が広く、強度の弱い非晶質材料であり、チタン酸の特徴はない。
When these titanium dioxides were analyzed by the X-ray diffraction (XRD) method, the X-ray diffraction (XRD) diagram of titanium dioxide obtained by heat-treating titanic acid at 250 ° C. or lower showed that 2θ measured using CuKα rays was 12 °. And at 24 °, a sharp peak derived from titanic acid remains.
In addition, in the X-ray diffraction (XRD) diagram of titanium dioxide obtained by heat-treating titanic acid at 350 ° C., there is no sharp peak, and there is only a broad peak corresponding to the bronze phase.
Similarly, an X-ray diffraction (XRD) diagram of titanium dioxide obtained by heat-treating titanic acid at 450 ° C. is a diffraction diagram in which a broad peak corresponding to the bronze phase exists, but the 2θ measured using CuKα rays. The peak intensities near the values of 15 ° and 30 ° increased, and the diffraction pattern was more bronze phase.
Titanium dioxide obtained by heat-treating titanic acid at 350 ° C. or 450 ° C. has a smaller number of peaks, wider X-ray diffraction image line width, and strength than conventional titanium dioxide (TiO 2 (B)). It is a weak amorphous material and has no characteristics of titanic acid.

また、これらの二酸化チタン試料におけるラマンスペクトルを測定したところ、チタン酸を150℃、250℃及び350℃で熱処理した試料は全体的に類似している。
ただし、大きな相違点としては、X線回折(XRD)的にはブロンズ相の二酸化チタンに属する350℃で熱処理した試料は、チタン酸には存在しない510cm−1付近にピークが存在する。
また、350℃から450℃に熱処理温度を上げると、ラマンスペクトルもブロンズ相の二酸化チタン特有のスペクトルに変化している。
Moreover, when the Raman spectrum in these titanium dioxide samples was measured, the samples obtained by heat-treating titanic acid at 150 ° C., 250 ° C. and 350 ° C. are generally similar.
However, as a major difference, in the X-ray diffraction (XRD), the sample heat-treated at 350 ° C. belonging to bronze phase titanium dioxide has a peak in the vicinity of 510 cm −1 which does not exist in titanic acid.
Further, when the heat treatment temperature is raised from 350 ° C. to 450 ° C., the Raman spectrum also changes to a spectrum peculiar to bronze phase titanium dioxide.

つぎに、チタン酸を350℃で熱処理した二酸化チタンを活物質として電極を作成した。電極の作成には、アセチレンブラックとテフロン(登録商標)とからなる導電性バインダー12mgを用い、活物質を20mgとした。
また、電解液には、1M LiPF(六フッ化リン酸リチウム)/エチレンカーボネート(ethylene carbonate:EC)−ジメチルカーボネート(Dimethyl carbonate:DMC)を用いた。
そして、本実施例に係る二酸化チタンを活物質に用いた電極と、金属リチウム対極とを組み合わせ、電解液と共に、リチウム二次電池を構成する。
なお、負極に用いた本実施形態に係る二酸化チタンは、X線回折(XRD)的にはブロンズ相に対応し、ラマンスペクトル的には層状構造的である。
Next, an electrode was prepared using titanium dioxide obtained by heat-treating titanic acid at 350 ° C. as an active material. For the preparation of the electrode, 12 mg of a conductive binder composed of acetylene black and Teflon (registered trademark) was used, and the active material was 20 mg.
Further, the electrolyte, 1M LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate) / ethylene carbonate (ethylene carbonate: EC) - dimethyl carbonate (Dimethyl carbonate: DMC) was used.
And the electrode which used the titanium dioxide which concerns on a present Example for an active material, and a metal lithium counter electrode are combined, and a lithium secondary battery is comprised with electrolyte solution.
The titanium dioxide according to this embodiment used for the negative electrode corresponds to the bronze phase in terms of X-ray diffraction (XRD), and has a layered structure in terms of Raman spectrum.

そして、これらの電極及び電解液を備えたリチウム二次電池の充放電を室温で行ない、電流密度を0.1mA/cm(0.05C)以上とした放電レート特性及びサイクル特性を図3(b)に示す。
図3(b)に示すように、放電レート特性及びサイクル特性は、0.05Cから1.6Cに放電レートを上げても80%以上の容量を維持し、20サイクル後、再び、0.05Cに戻しても、放電容量は最初と同じ値を維持しており、サイクル特性も良好である。
The charge and discharge of the lithium secondary battery provided with these electrodes and electrolyte solution is performed at room temperature, and the discharge rate characteristics and cycle characteristics with a current density of 0.1 mA / cm 2 (0.05 C) or more are shown in FIG. Shown in b).
As shown in FIG. 3 (b), the discharge rate characteristics and cycle characteristics maintained a capacity of 80% or more even when the discharge rate was increased from 0.05C to 1.6C. Even if it returns, discharge capacity is maintaining the same value as the beginning, and cycling characteristics are also favorable.

また、上記電極及び電解液を備えたリチウム二次電池(実施例1)の充放電曲線は、高温で合成した前駆体から生成した高結晶性TiO(B)を活物質とするリチウム二次電池(比較例1)には見られない形状を有する。即ち、実施例1に係るリチウム二次電池は、図3(a)の微分曲線(dQ/dV)に示すように、比較例1に係るリチウム二次電池と比較すると、低電圧側に新しいピークを有することが特色である。 Further, the charge-discharge curves of the electrode and a lithium secondary battery electrolyte having a (Example 1), a lithium secondary were produced from the precursor synthesized at a high temperature highly crystalline TiO 2 (B) and the active material It has a shape that is not found in the battery (Comparative Example 1). That is, as shown in the differential curve (dQ / dV) of FIG. 3A, the lithium secondary battery according to Example 1 has a new peak on the low voltage side as compared with the lithium secondary battery according to Comparative Example 1. It is a feature to have.

また、上記電極及び電解液を備えたリチウム二次電池の充放電は、充放電の電圧範囲が1.2Vから2.5Vまでで、二酸化チタン1g当たり180mAh/gの容量が得られることを確認することができた。   In addition, charging / discharging of the lithium secondary battery provided with the above electrode and electrolyte solution confirms that the charging / discharging voltage range is from 1.2 V to 2.5 V and a capacity of 180 mAh / g per 1 g of titanium dioxide is obtained. We were able to.

(実施例2)
まず、原料である、アナターゼ型二酸化チタン10.0gと、炭酸ルビジウム6.20gと、炭酸リチウム0.66gと、を乳鉢に取り、少量の水を加えて混煉した。
そして、この混煉した原料を蒸発皿に移し、350℃で脱水し、乾燥させた。
さらに、この乾燥させた混合物を600℃又は700℃で20時間焼成して、二酸化チタンの前駆体であるRb0.75Li0.25Ti1.75 を生成した。
(Example 2)
First, 10.0 g of anatase-type titanium dioxide, 6.20 g of rubidium carbonate, and 0.66 g of lithium carbonate, which are raw materials, were placed in a mortar and mixed with a small amount of water.
The mixed raw material was transferred to an evaporating dish, dehydrated at 350 ° C., and dried.
Furthermore, this dried mixture was baked at 600 ° C. or 700 ° C. for 20 hours to produce Rb 0.75 Li 0.25 Ti 1.75 O 4 which is a precursor of titanium dioxide.

600℃で焼成した生成物(600℃焼成試料)及び700℃で焼成した生成物(700℃焼成試料)をX線回折(XRD)法により分析した結果、いずれの生成物も原料のアナターゼ相を含まない単一相のレピドクロサイト相であった。   As a result of analyzing the product calcined at 600 ° C. (600 ° C. calcined sample) and the product calcined at 700 ° C. (700 ° C. calcined sample) by the X-ray diffraction (XRD) method, both products showed the raw anatase phase. It was a single-phase lepidocrotite phase not contained.

また、これらの前駆体(600℃焼成試料、700℃焼成試料)を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察した結果、全ての前駆体において、一次粒子の粒子径が1μm以下の球状の微粒子から構成されることがわかった。   Moreover, as a result of observing these precursors (600 ° C. calcined sample, 700 ° C. calcined sample) with a scanning electron microscope (SEM), all the precursors are composed of spherical fine particles having a primary particle size of 1 μm or less. I found out that

つぎに、700℃焼成試料を2g取り、0℃〜70℃(好ましくは、常温)における100mlの3mol/L塩酸(3N HCl)に一夜(12時間)浸漬した。そして、上澄み液を除去し、蒸留水50mlを加えた。
これらの操作を5回繰り返した後に、ろ過し、80℃で一日乾燥した。そして、この操作を2回又は3回繰り返してチタン酸を得た。
Next, 2 g of a 700 ° C. calcined sample was taken and immersed in 100 ml of 3 mol / L hydrochloric acid (3N HCl) at 0 ° C. to 70 ° C. (preferably normal temperature) overnight (12 hours). And the supernatant liquid was removed and 50 ml of distilled water was added.
These operations were repeated 5 times, followed by filtration and drying at 80 ° C. for one day. And this operation was repeated twice or three times to obtain titanic acid.

得られたチタン酸をX線回折(XRD)により評価したところ、前駆体の回折線は残っておらず、完全にチタン酸に変わっていることが確認できた。   When the obtained titanic acid was evaluated by X-ray diffraction (XRD), the diffraction line of the precursor did not remain, and it was confirmed that the precursor was completely changed to titanic acid.

このチタン酸の試料を空気中において250℃、350℃、500℃又は700℃で4時間熱処理して、二酸化チタンを得た。   This titanic acid sample was heat treated in air at 250 ° C., 350 ° C., 500 ° C. or 700 ° C. for 4 hours to obtain titanium dioxide.

これらの二酸化チタンをX線回折(XRD)法により分析したところ、チタン酸を250℃以下で熱処理した二酸化チタンのX線回折(XRD)図には、CuKα線を用いて測定した2θが12°及び24°において、チタン酸由来のシャープなピークが残存する。
また、チタン酸を350℃で熱処理した二酸化チタンのX線回折(XRD)図には、シャープなピークが無くなり、ブロンズ相に対応するブロードなピークのみが存在する。
また、チタン酸を500℃で熱処理した二酸化チタンのX線回折(XRD)図も同様に、ブロンズ相に対応するブロードなピークが存在する回折図であるが、CuKα線を用いて測定した2θの値である15°及び30°付近のピーク強度が増加し、よりブロンズ相的な回折図であった。
さらに、チタン酸を700℃で熱処理した二酸化チタンのX線回折(XRD)図には、アナターゼ相に変化した回折図であった。
なお、チタン酸の純度もチタン酸の熱処理物のX線回折(XRD)測定によって確認できる。また、プロトン交換反応の操作を2回繰り返したアルカリ金属を含むチタン酸の場合、800℃で熱処理した二酸化チタンのX線回折(XRD)図には、主生成物のアナターゼ相に加え、痕跡量のレピドクロサイト相の混入が認められた。即ち、2回のイオン交換では、アルカリ金属を完全に除去することができない。しかしながら、プロトン交換反応の操作を3回繰り返すと、X線回折(XRD)測定において、レピドクロサイト相の存在を確認できず、3回のイオン交換処理で痕跡量のアルカリ金属を除去することができることになる。
When these titanium dioxides were analyzed by the X-ray diffraction (XRD) method, the X-ray diffraction (XRD) diagram of titanium dioxide obtained by heat-treating titanic acid at 250 ° C. or lower showed that 2θ measured using CuKα rays was 12 °. And at 24 °, a sharp peak derived from titanic acid remains.
In addition, in the X-ray diffraction (XRD) diagram of titanium dioxide obtained by heat-treating titanic acid at 350 ° C., there is no sharp peak, and there is only a broad peak corresponding to the bronze phase.
Similarly, an X-ray diffraction (XRD) diagram of titanium dioxide obtained by heat-treating titanic acid at 500 ° C. is a diffraction diagram in which a broad peak corresponding to the bronze phase exists, but the 2θ measured using CuKα rays. The peak intensities near the values of 15 ° and 30 ° increased, and the diffraction pattern was more bronze phase.
Furthermore, the X-ray diffraction (XRD) diagram of titanium dioxide obtained by heat-treating titanic acid at 700 ° C. was a diffractogram converted to an anatase phase.
The purity of titanic acid can also be confirmed by X-ray diffraction (XRD) measurement of a heat-treated product of titanic acid. In addition, in the case of titanic acid containing an alkali metal obtained by repeating the proton exchange reaction twice, an X-ray diffraction (XRD) diagram of titanium dioxide heat-treated at 800 ° C. shows a trace amount in addition to the anatase phase of the main product. Of lepidocrotite phase was observed. That is, the alkali metal cannot be completely removed by two ion exchanges. However, if the proton exchange reaction is repeated three times, the presence of the lipidocrosite phase cannot be confirmed in X-ray diffraction (XRD) measurement, and trace amounts of alkali metals can be removed by three ion exchange treatments. It will be possible.

つぎに、3mol/L塩酸(3N HCl)によるイオン交換反応の操作を3回行って得たチタン酸を、500℃で熱処理した二酸化チタンを活物質として電極を作成した。電極の作成には、アセチレンブラックとテフロン(登録商標)とからなる導電性バインダー12mgを用い、負極活物質を20mgとした。
また、電解液には、1M LiPF(六フッ化リン酸リチウム)/エチレンカーボネート(EC)−ジメチルカーボネート(DMC)を用いた。
そして、本実施例に係る二酸化チタンを活物質に用いた電極と、金属リチウム対極とを組み合わせ、電解液と共に、リチウム二次電池を構成する。
Next, an electrode was prepared using titanium dioxide obtained by heat-treating titanic acid obtained by performing ion exchange reaction with 3 mol / L hydrochloric acid (3N HCl) three times at 500 ° C. as an active material. For the production of the electrode, 12 mg of a conductive binder composed of acetylene black and Teflon (registered trademark) was used, and the negative electrode active material was 20 mg.
Further, the electrolyte, 1M LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate) / ethylene carbonate (EC) - was used dimethyl carbonate (DMC).
And the electrode which used the titanium dioxide which concerns on a present Example for an active material, and a metal lithium counter electrode are combined, and a lithium secondary battery is comprised with electrolyte solution.

そして、分極を少なくするために測定温度を50℃として、これらの電極及び電解液を備えたリチウム二次電池の充放電を行ない、電流密度を0.4mA/cmとし、電池特性を評価した。得られた充放電曲線を微分し、微分曲線(dQ/dV)を算出すると、二つの充放電プラトーの存在を確認することができた。 Then, in order to reduce the polarization, the measurement temperature was set to 50 ° C., the lithium secondary battery including these electrodes and the electrolyte was charged and discharged, the current density was set to 0.4 mA / cm 2 , and the battery characteristics were evaluated. . When the obtained charge / discharge curve was differentiated and the differential curve (dQ / dV) was calculated, the presence of two charge / discharge plateaus could be confirmed.

(実施例3)
まず、原料である、アナターゼ型二酸化チタン10.0gと、炭酸セシウム8.07gと、炭酸リチウム0.60gと、を乳鉢に取り、少量の水を加えて混煉した。
そして、この混煉した原料を蒸発皿に移し、350℃で脱水し、乾燥させた。
さらに、この乾燥させた混合物を600℃又は700℃で20時間焼成して、二酸化チタンの前駆体であるCs0.7Li0.23Ti1.77を生成した。
(Example 3)
First, 10.0 g of anatase-type titanium dioxide, 8.07 g of cesium carbonate, and 0.60 g of lithium carbonate, which are raw materials, were placed in a mortar and mixed with a small amount of water.
The mixed raw material was transferred to an evaporating dish, dehydrated at 350 ° C., and dried.
Furthermore, this dried mixture was baked at 600 ° C. or 700 ° C. for 20 hours to produce Cs 0.7 Li 0.23 Ti 1.77 O 4 which is a precursor of titanium dioxide.

600℃で焼成した生成物(600℃焼成試料)及び700℃で焼成した生成物(700℃焼成試料)をX線回折(XRD)法により分析した結果、いずれの生成物も原料のアナターゼ相を含まない単一相のレピドクロサイト相であった。   As a result of analyzing the product calcined at 600 ° C. (600 ° C. calcined sample) and the product calcined at 700 ° C. (700 ° C. calcined sample) by the X-ray diffraction (XRD) method, both products showed the raw anatase phase. It was a single-phase lepidocrotite phase not contained.

また、これらの前駆体(600℃焼成試料、700℃焼成試料)を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察した結果、全ての前駆体において、一次粒子の粒子径が1μm以下の球状の微粒子から構成されることがわかった。   Moreover, as a result of observing these precursors (600 ° C. calcined sample, 700 ° C. calcined sample) with a scanning electron microscope (SEM), all the precursors are composed of spherical fine particles having a primary particle size of 1 μm or less. I found out that

つぎに、700℃焼成試料を2g取り、0℃〜70℃(好ましくは、常温)における100mlの3mol/L塩酸(3N HCl)に一夜(12時間)浸漬した。そして、上澄み液を除去し、蒸留水50mlを加えた。
これらの操作を5回繰り返した後に、ろ過し、80℃で一日乾燥した。そして、この操作を5回繰り返してチタン酸を得た。
Next, 2 g of a 700 ° C. calcined sample was taken and immersed in 100 ml of 3 mol / L hydrochloric acid (3N HCl) at 0 ° C. to 70 ° C. (preferably normal temperature) overnight (12 hours). And the supernatant liquid was removed and 50 ml of distilled water was added.
These operations were repeated 5 times, followed by filtration and drying at 80 ° C. for one day. And this operation was repeated 5 times to obtain titanic acid.

得られたチタン酸をX線回折(XRD)により評価したところ、前駆体の回折線は残っておらず、完全にチタン酸に変わっていることが確認できた。   When the obtained titanic acid was evaluated by X-ray diffraction (XRD), the diffraction line of the precursor did not remain, and it was confirmed that the precursor was completely changed to titanic acid.

このチタン酸の試料を空気中において250℃、350℃、500℃又は700℃で4時間熱処理して、二酸化チタンを得た。   This titanic acid sample was heat treated in air at 250 ° C., 350 ° C., 500 ° C. or 700 ° C. for 4 hours to obtain titanium dioxide.

これらの二酸化チタンをX線回折(XRD)法により分析したところ、チタン酸を250℃以下で熱処理した二酸化チタンのX線回折(XRD)図には、CuKα線を用いて測定した2θが12°及び24°において、チタン酸由来のシャープなピークが残存する。
また、チタン酸を350℃で熱処理した二酸化チタンのX線回折(XRD)図には、シャープなピークが無くなり、ブロンズ相に対応するブロードなピークのみが存在する。
また、チタン酸を500℃で熱処理した二酸化チタンのX線回折(XRD)図も同様に、ブロンズ相に対応するブロードなピークが存在する回折図であるが、CuKα線を用いて測定した2θの値である15°及び30°付近のピーク強度が増加し、よりブロンズ相的な回折図であった。
さらに、チタン酸を700℃で熱処理した二酸化チタンのX線回折(XRD)図には、アナターゼ相がメインになるが、不純物相の混入が認められた。即ち、1回のイオン交換では、アルカリ金属を完全に除去することができない。しかしながら、プロトン交換反応の操作を3回繰り返すと、アルカリ金属を除去することができ、700℃の焼成であっても、X線回折(XRD)測定において、レピドクロサイト相の存在を確認することができないことになる。
よって、アルカリ金属の除去は、前駆体の構成元素に依存し、カリウム、ルビジウム、セシウムの順に除去が困難であることが明らかになった。
When these titanium dioxides were analyzed by the X-ray diffraction (XRD) method, the X-ray diffraction (XRD) diagram of titanium dioxide obtained by heat-treating titanic acid at 250 ° C. or lower showed that 2θ measured using CuKα rays was 12 °. And at 24 °, a sharp peak derived from titanic acid remains.
In addition, in the X-ray diffraction (XRD) diagram of titanium dioxide obtained by heat-treating titanic acid at 350 ° C., there is no sharp peak, and there is only a broad peak corresponding to the bronze phase.
Similarly, an X-ray diffraction (XRD) diagram of titanium dioxide obtained by heat-treating titanic acid at 500 ° C. is a diffraction diagram in which a broad peak corresponding to the bronze phase exists, but the 2θ measured using CuKα rays. The peak intensities near the values of 15 ° and 30 ° increased, and the diffraction pattern was more bronze phase.
Furthermore, in the X-ray diffraction (XRD) diagram of titanium dioxide obtained by heat-treating titanic acid at 700 ° C., the anatase phase is the main component, but contamination of the impurity phase is observed. That is, the alkali metal cannot be completely removed by one ion exchange. However, when the proton exchange reaction is repeated three times, the alkali metal can be removed, and the presence of a lipidocrosite phase is confirmed in X-ray diffraction (XRD) measurement even at 700 ° C. Will not be able to.
Therefore, it was clarified that the removal of the alkali metal depends on the constituent elements of the precursor and is difficult to remove in the order of potassium, rubidium, and cesium.

つぎに、3mol/L塩酸(3N HCl)によるイオン交換反応の操作を5回行って得たチタン酸を、500℃で熱処理した二酸化チタンを活物質として電極を作成した。電極の作成には、アセチレンブラックとテフロン(登録商標)とからなる導電性バインダー12mgを用い、電極活物質を20mgとした。
また、電解液には、1M LiPF(六フッ化リン酸リチウム)/エチレンカーボネート(EC)−ジメチルカーボネート(DMC)を用いた。
そして、本実施例に係る二酸化チタンを活物質に用いた電極と、金属リチウム対極を組み合わせ、電解液と共に、リチウム二次電池を構成する。
Next, an electrode was prepared using titanium dioxide obtained by heat-treating titanic acid obtained by performing ion exchange reaction with 3 mol / L hydrochloric acid (3N HCl) five times at 500 ° C. as an active material. For the production of the electrode, 12 mg of a conductive binder composed of acetylene black and Teflon (registered trademark) was used, and the electrode active material was 20 mg.
Further, the electrolyte, 1M LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate) / ethylene carbonate (EC) - was used dimethyl carbonate (DMC).
And the electrode using the titanium dioxide which concerns on a present Example and the metal lithium counter electrode are combined, and a lithium secondary battery is comprised with electrolyte solution.

分極を抑制するために測定温度を50℃として、この電極及び電解液を備えたリチウム二次電池の充放電を行ない、電池特性を評価した。なお、電流密度は0.4mA/cmとした。得られた充放電曲線を微分し、微分曲線(dQ/dV)を算出すると、二つの充放電プラトーの存在を確認することができた。 In order to suppress polarization, the measurement temperature was set to 50 ° C., and the lithium secondary battery provided with this electrode and the electrolyte was charged and discharged, and the battery characteristics were evaluated. The current density was 0.4 mA / cm 2 . When the obtained charge / discharge curve was differentiated and the differential curve (dQ / dV) was calculated, the presence of two charge / discharge plateaus could be confirmed.

(実施例4)
まず、原料である、アナターゼ型二酸化チタン10.0gと、炭酸セシウム8.07gと、を乳鉢に取り、少量の水を加えて混煉した。
そして、この混煉した原料を蒸発皿に移し、200℃で脱水し、乾燥させた。
さらに、この乾燥させた混合物を600℃又は700℃で20時間焼成して、二酸化チタンの前駆体であるCs0.73Ti1.82を生成した。
Example 4
First, 10.0 g of anatase-type titanium dioxide and 8.07 g of cesium carbonate as raw materials were placed in a mortar and mixed with a small amount of water.
The mixed raw material was transferred to an evaporating dish, dehydrated at 200 ° C., and dried.
Furthermore, this dried mixture was baked at 600 ° C. or 700 ° C. for 20 hours to produce Cs 0.73 Ti 1.82 O 4 which is a precursor of titanium dioxide.

600℃で焼成した生成物(600℃焼成試料)及び700℃で焼成した生成物(700℃焼成試料)をX線回折(XRD)法により分析した結果、CuKα線を用いて測定した2θ=28°のピークがブロードになっているものの、いずれの生成物も原料のアナターゼ相を含まない単一相のレピドクロサイト相であった。   The product calcined at 600 ° C. (600 ° C. calcined sample) and the product calcined at 700 ° C. (700 ° C. calcined sample) were analyzed by the X-ray diffraction (XRD) method. As a result, 2θ = 28 measured using CuKα rays. Although the peak at 0 ° was broad, all the products were single-phase lepidocrotite phases that did not contain the starting anatase phase.

また、これらの前駆体(600℃焼成試料、700℃焼成試料)を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察した結果、全ての前駆体において、一次粒子の粒子径が1μm以下の球状の微粒子から構成されることがわかった。   Moreover, as a result of observing these precursors (600 ° C. calcined sample, 700 ° C. calcined sample) with a scanning electron microscope (SEM), all the precursors are composed of spherical fine particles having a primary particle size of 1 μm or less. I found out that

つぎに、700℃焼成試料を2g取り、0℃〜70℃(好ましくは、常温)における100mlの3mol/L塩酸(3N HCl)に一夜(12時間)浸漬した。そして、700℃焼成試料をろ過した後、再度、3mol/L塩酸(3N HCl)を100ml加え、一夜(12時間)浸漬した。これらの操作を計5回行なった。そして、上澄み液を除去し、蒸留水50mlを加えた。
これらの操作を5回繰り返した後に、ろ過し、80℃で一日乾燥してチタン酸を得た。
Next, 2 g of a 700 ° C. calcined sample was taken and immersed in 100 ml of 3 mol / L hydrochloric acid (3N HCl) at 0 ° C. to 70 ° C. (preferably normal temperature) overnight (12 hours). And after filtering a 700 degreeC baking sample, 100 ml of 3 mol / L hydrochloric acid (3N HCl) was added again, and it was immersed overnight (12 hours). These operations were performed 5 times in total. And the supernatant liquid was removed and 50 ml of distilled water was added.
These operations were repeated 5 times, followed by filtration and drying at 80 ° C. for one day to obtain titanic acid.

このチタン酸の試料を空気中において500℃又は800℃で4時間熱処理して、二酸化チタンを得た。   This titanic acid sample was heat treated in air at 500 ° C. or 800 ° C. for 4 hours to obtain titanium dioxide.

これらの二酸化チタンをX線回折(XRD)法により分析したところ、チタン酸を500℃で熱処理した二酸化チタンのX線回折(XRD)図には、ブロンズ相に対応するブロードなピークのみが存在する。一方、チタン酸を800℃で熱処理した二酸化チタンのX線回折(XRD)図では、この二酸化チタンがアナターゼ相の単一相であることが確認できた。   When these titanium dioxides were analyzed by the X-ray diffraction (XRD) method, only a broad peak corresponding to the bronze phase exists in the X-ray diffraction (XRD) diagram of titanium dioxide obtained by heat-treating titanic acid at 500 ° C. . On the other hand, in the X-ray diffraction (XRD) diagram of titanium dioxide obtained by heat treating titanic acid at 800 ° C., it was confirmed that this titanium dioxide was a single phase of anatase phase.

つぎに、この二酸化チタンを活物質として電極を作成した。電極の作成には、アセチレンブラックとテフロン(登録商標)とからなる導電性バインダー12mgを用い、活物質は20mgとした。
また、電解液には、1M LiPF(六フッ化リン酸リチウム)/エチレンカーボネート(EC)−ジメチルカーボネート(DMC)を用いた。
本実施例に係る二酸化チタンを活物質に用いた電極と、金属リチウム対極とを組み合わせ、電解液と共に、リチウム二次電池を構成する。
Next, an electrode was prepared using this titanium dioxide as an active material. For the preparation of the electrode, 12 mg of a conductive binder composed of acetylene black and Teflon (registered trademark) was used, and the active material was 20 mg.
Further, the electrolyte, 1M LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate) / ethylene carbonate (EC) - was used dimethyl carbonate (DMC).
The electrode using the titanium dioxide according to the present embodiment as an active material and a metal lithium counter electrode are combined to form a lithium secondary battery together with the electrolytic solution.

そして、分極を抑制するために測定温度を50℃として、この電極及び電解液を備えたリチウム二次電池の充放電を行ない、電流密度を0.4mA/cmとし、電池特性を評価した。得られた充放電曲線を微分し、微分曲線(dQ/dV)を算出すると、二つの充放電プラトーの存在を確認することができた。 Then, in order to suppress polarization, the measurement temperature was set to 50 ° C., and the lithium secondary battery including the electrode and the electrolytic solution was charged and discharged, the current density was set to 0.4 mA / cm 2 , and the battery characteristics were evaluated. When the obtained charge / discharge curve was differentiated and the differential curve (dQ / dV) was calculated, the presence of two charge / discharge plateaus could be confirmed.

(実施例5)
実施例1で合成した本発明に係るブロンズ相の酸化チタンと、4V級正極材料のコバルト酸リチウム(LiCoO)又は5V級正極材料のスピネル構造のLiNi0.5Mn1.5と、を組み合わせてリチウムイオン二次電池を構成した。なお、電極作成法及び電解液は、前述のリチウム二次電池の場合と同様である。
(Example 5)
Bronze-phase titanium oxide according to the present invention synthesized in Example 1, lithium cobaltate (LiCoO 2 ) of 4V class positive electrode material or LiNi 0.5 Mn 1.5 O 2 of spinel structure of 5V class positive electrode material, Were combined to form a lithium ion secondary battery. In addition, the electrode preparation method and electrolyte solution are the same as that of the case of the above-mentioned lithium secondary battery.

コバルト酸リチウム(LiCoO)を正極とする場合には、13.5mgのコバルト酸リチウムに対して、酸化チタンを10.4mgとした。また、測定温度を50℃とし、電流密度を40mA/g(負極重量当たり)とし、充放電電圧を1.0V〜3.15Vとした。
充放電は2V以上で生じ、連続的に電圧が直線的に変化する。また、1サイクル目のクーロン効率は、80%を示し、負極重量当たりの容量は、200mAh/gとなった。また、2サイクル目の放電曲線にも顕著な変化はなく、放電容量は維持された。
When lithium cobaltate (LiCoO 2 ) was used as the positive electrode, titanium oxide was used at 10.4 mg per 13.5 mg of lithium cobaltate. The measurement temperature was 50 ° C., the current density was 40 mA / g (per weight of the negative electrode), and the charge / discharge voltage was 1.0 V to 3.15 V.
Charging / discharging occurs at 2 V or higher, and the voltage continuously changes linearly. The Coulomb efficiency at the first cycle was 80%, and the capacity per negative electrode weight was 200 mAh / g. Further, there was no significant change in the discharge curve at the second cycle, and the discharge capacity was maintained.

スピネル構造のLiNi0.5Mn1.5を正極とする場合には、13.3mgのLiNi0.5Mn1.5に対して、酸化チタンを10.2mgとした。また、測定温度を50℃とし、電流密度を40mA/g(負極重量当たり)とした。なお、充放電電圧は、正極電圧が高いため、上限電圧を3.6Vとし、1.0V〜3.6Vとした。
1サイクル目の充電では、2V付近のスピネル正極の酸素欠損に基づくプラトーと3V付近のプラトーとからなる。また、1サイクル目の放電容量は140mAh/gとなるが、2サイクル目は115mAh/gと大きく劣化した。これは正極材料によるもので、酸素欠損とマンガンの溶解現象に要因がある。
このように、本発明に係るブロンズ相の酸化チタンは、4V級正極材料や5V級正極材料と組み合わせたリチウム電池を製造することができる。
In the case of using LiNi 0.5 Mn 1.5 O 2 having a spinel structure as a positive electrode, titanium oxide was used at 10.2 mg with respect to 13.3 mg of LiNi 0.5 Mn 1.5 O 2 . The measurement temperature was 50 ° C., and the current density was 40 mA / g (per negative electrode weight). Since the charge / discharge voltage has a high positive electrode voltage, the upper limit voltage was 3.6 V, and the voltage was 1.0 V to 3.6 V.
The charge in the first cycle consists of a plateau based on oxygen deficiency of the spinel positive electrode near 2V and a plateau near 3V. The discharge capacity at the first cycle was 140 mAh / g, but the second cycle was greatly degraded at 115 mAh / g. This is due to the positive electrode material, and is caused by oxygen deficiency and manganese dissolution.
Thus, the bronze phase titanium oxide according to the present invention can produce a lithium battery in combination with a 4V class positive electrode material or a 5V class positive electrode material.

(比較例1)
まず、原料である、アナターゼ型二酸化チタン7.99gと、炭酸カリウム3.46gと、酢酸リチウム1.53gと、を乳鉢に取り、少量の水を加えて混煉した。
そして、この混煉した原料を蒸発皿に移し、200℃で脱水し、乾燥させた。
さらに、この乾燥させた混合物を900℃又は1000℃で20時間焼成して、二酸化チタンの前駆体であるKLi0.6Ti9.3を生成した。
(Comparative Example 1)
First, 7.99 g of anatase-type titanium dioxide, 3.46 g of potassium carbonate, and 1.53 g of lithium acetate, which are raw materials, were placed in a mortar and mixed with a small amount of water.
The mixed raw material was transferred to an evaporating dish, dehydrated at 200 ° C., and dried.
Furthermore, this dried mixture was baked at 900 ° C. or 1000 ° C. for 20 hours to produce K 2 Li 0.6 Ti 4 O 9.3 which is a precursor of titanium dioxide.

900℃で焼成した生成物(900℃焼成試料)及び1000℃で焼成した生成物(1000℃焼成試料)をX線回折(XRD)法により分析した結果、いずれの生成物も原料のアナターゼ相を含まない単一相のレピドクロサイト相であった(図2参照)。   As a result of analyzing the product calcined at 900 ° C. (900 ° C. calcined sample) and the product calcined at 1000 ° C. (1000 ° C. calcined sample) by the X-ray diffraction (XRD) method, both products showed the raw anatase phase. It was a single-phase lepidocrotite phase not contained (see FIG. 2).

また、これらの前駆体(900℃焼成試料、1000℃焼成試料)を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察した結果、全ての前駆体において、一次粒子の粒子径が3μm〜10μmの角のある比較的平板状の粒子(図1(c),(d)参照)から構成されることがわかった。   Moreover, as a result of observing these precursors (900 degreeC baking sample, 1000 degreeC baking sample) with a scanning electron microscope (SEM), in all the precursors, the particle diameter of a primary particle is a comparison with an angle | corner of 3 micrometers-10 micrometers. It was found that it was composed of objective tabular grains (see FIGS. 1C and 1D).

つぎに、これらの前駆体(900℃焼成試料、1000℃焼成試料)を2g取り、0℃〜70℃(好ましくは、常温)における100mlの3mol/L塩酸(3N HCl)に一夜(12時間)浸漬した。そして、上澄み液を除去し、蒸留水50mlを加えた。
これらの操作を5回繰り返した後に、ろ過し、80℃で一日乾燥してチタン酸を得た。
Next, 2 g of these precursors (900 ° C. calcined sample, 1000 ° C. calcined sample) are taken, and overnight (12 hours) in 100 ml of 3 mol / L hydrochloric acid (3N HCl) at 0 ° C. to 70 ° C. (preferably normal temperature). Soaked. And the supernatant liquid was removed and 50 ml of distilled water was added.
These operations were repeated 5 times, followed by filtration and drying at 80 ° C. for one day to obtain titanic acid.

得られたチタン酸をX線回折(XRD)により評価したところ、前駆体の回折線は残っておらず、完全にチタン酸に変わっていることが確認できた。   When the obtained titanic acid was evaluated by X-ray diffraction (XRD), the diffraction line of the precursor did not remain, and it was confirmed that the precursor was completely changed to titanic acid.

また、得られたチタン酸を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察したところ、(020)面に沿って劈開しており、厚み0.1μm〜0.2μmの厚み平板状に一次粒子の形状が変化していることがわかった。即ち、劈開現象は、高温で焼成した前駆体を用いたチタン酸の方が、高温で焼成した前駆体を用いたチタン酸に対して、進行し易いことがわかる。   Moreover, when the obtained titanic acid was observed with a scanning electron microscope (SEM), it was cleaved along the (020) plane, and the shape of the primary particles was a flat plate having a thickness of 0.1 μm to 0.2 μm. I found it changing. That is, it can be seen that the cleavage phenomenon is more likely to proceed with titanic acid using a precursor baked at high temperature than titanic acid using a precursor baked at high temperature.

900℃焼成試料(前駆体)から得たチタン酸の試料を空気中において450℃で4時間熱処理して、二酸化チタンを得た。   A titanic acid sample obtained from a 900 ° C. calcined sample (precursor) was heat treated in air at 450 ° C. for 4 hours to obtain titanium dioxide.

この二酸化チタンをX線回折(XRD)法により分析したところ、この試料は典型的なブロンズ相の回折図となり、CuKα線を用いて測定した2θの値である15°及び30°付近のピークが2本に分裂していることがわかった。   When this titanium dioxide was analyzed by the X-ray diffraction (XRD) method, this sample became a typical bronze phase diffraction diagram, and peaks around 15 ° and 30 °, which were 2θ values measured using CuKα rays. I found that it was split into two.

また、この二酸化チタン試料におけるラマンスペクトルを測定したところ、548cm−1及び367cm−1のピークが存在する典型的なブロンズ相のスペクトルであった。 Further, when the Raman spectrum of the titanium dioxide sample was measured, it was a spectrum of a typical bronze phase having peaks at 548 cm −1 and 367 cm −1 .

つぎに、チタン酸を450℃で熱処理した二酸化チタンを活物質として電極を作成した。電極の作成には、アセチレンブラックとテフロン(登録商標)とからなる導電性バインダー12mgを用い、活物質は20mgとした。
また、電解液には、1M LiPF(六フッ化リン酸リチウム)/エチレンカーボネート(EC)−ジメチルカーボネート(DMC)を用いた。
そして、本比較例1に係る二酸化チタンを活物質に用いた電極と、金属リチウム対極とを組み合わせ、電解液と共に、リチウム二次電池を構成する。
Next, an electrode was prepared using titanium dioxide obtained by heat-treating titanic acid at 450 ° C. as an active material. For the preparation of the electrode, 12 mg of a conductive binder composed of acetylene black and Teflon (registered trademark) was used, and the active material was 20 mg.
Further, the electrolyte, 1M LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate) / ethylene carbonate (EC) - was used dimethyl carbonate (DMC).
And the electrode which used the titanium dioxide which concerns on this comparative example 1 for an active material, and a metal lithium counter electrode are combined, and a lithium secondary battery is comprised with electrolyte solution.

上記電極及び電解液を備えたリチウム二次電池(比較例1)の充放電曲線は、2V以下に一つのピークのみを有するものであった。   The charge / discharge curve of the lithium secondary battery (Comparative Example 1) provided with the electrode and the electrolytic solution had only one peak at 2 V or less.

(比較例2)
まず、原料である、アナターゼ型二酸化チタン7.99gと、水酸化セシウム5.8gを乳鉢に取り、少量の水を加えて混煉した。
そして、この混煉した原料を蒸発皿に移し、200℃で脱水し、乾燥させた。
さらに、この乾燥させた混合物を900℃で20時間焼成して、二酸化チタンの前駆体であるCs0.73Ti1.82を生成した。
(Comparative Example 2)
First, 7.9 g of anatase-type titanium dioxide and 5.8 g of cesium hydroxide as raw materials were placed in a mortar and mixed with a small amount of water.
The mixed raw material was transferred to an evaporating dish, dehydrated at 200 ° C., and dried.
Furthermore, this dried mixture was baked at 900 ° C. for 20 hours to produce Cs 0.73 Ti 1.82 O 4 which is a precursor of titanium dioxide.

この前駆体(900℃焼成試料)を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察した結果、表面が平滑であり、短軸0.5μm〜3μm及び長軸5μm〜20μm程度のロッド状の粒子形態を有していた。なお、この粒子形態は、単斜晶相のNaTi、KTi及びCsTi11に共通の粒子形態である。 As a result of observing this precursor (900 ° C. calcined sample) with a scanning electron microscope (SEM), the surface was smooth and had a rod-like particle form with a short axis of 0.5 μm to 3 μm and a long axis of about 5 μm to 20 μm. Was. Incidentally, the particle morphology is a common particulate form to Na 2 Ti 3 O 7, K 2 Ti 4 O 9 and Cs 2 Ti 5 O 11 of the monoclinic phase.

つぎに、この前駆体(900℃焼成試料)に対して、前述した特許文献3に開示された製造方法に従い、塩酸を用いて、5日間で12時間毎に塩酸溶液を交換し、イオン交換反応を行ない、チタン酸を得た。
そして、得られたチタン酸を450℃で4時間熱処理して、ブロンズ相の二酸化チタン(TiO(B))を得た。
Next, with respect to this precursor (900 ° C. calcined sample), the hydrochloric acid solution is exchanged every 12 hours for 5 days using hydrochloric acid in accordance with the production method disclosed in Patent Document 3 described above, and the ion exchange reaction. And titanic acid was obtained.
The obtained titanate was heat treated for 4 hours at 450 ° C., to obtain a titanium dioxide bronze phase (TiO 2 (B)).

この二酸化チタン(TiO(B))をX線回折(XRD)法により分析したところ、X線回折(XRD)図は、比較例1のX線回折(XRD)図に類似していた。
また、この二酸化チタン(TiO(B))におけるラマンスペクトルを測定したところ、実施例1のラマンスペクトルと一致した。
When this titanium dioxide (TiO 2 (B)) was analyzed by the X-ray diffraction (XRD) method, the X-ray diffraction (XRD) diagram was similar to the X-ray diffraction (XRD) diagram of Comparative Example 1.
The measured Raman spectrum in the titanium dioxide (TiO 2 (B)), consistent with the Raman spectrum of Example 1.

つぎに、この二酸化チタン(TiO(B))を活物質として電極を作成した。電極の作成には、アセチレンブラックとテフロン(登録商標)とからなる導電性バインダー15mgを用い、活物質は25mgとした。
また、電解液には、1M LiPF(六フッ化リン酸リチウム)/エチレンカーボネート(EC)−ジメチルカーボネート(DMC)を用いた。
そして、本比較例2に係る二酸化チタンを活物質に用いた電極と、金属リチウム対極とを組み合わせ、電解液と共に、リチウム二次電池を構成する。
Next, an electrode was prepared using the titanium dioxide (TiO 2 (B)) as an active material. In preparing the electrode, 15 mg of a conductive binder composed of acetylene black and Teflon (registered trademark) was used, and the active material was 25 mg.
Further, the electrolyte, 1M LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate) / ethylene carbonate (EC) - was used dimethyl carbonate (DMC).
And the electrode which used the titanium dioxide which concerns on this comparative example 2 for an active material, and a metal lithium counter electrode are combined, and a lithium secondary battery is comprised with electrolyte solution.

上記電極及び電解液を備えたリチウム二次電池(比較例2)の充放電曲線は、典型的な二酸化チタン(TiO(B))の形状を有し、その微分曲線(dQ/dV)は、2V以下に一つのピークのみを有するものであった。 The charge / discharge curve of the lithium secondary battery (Comparative Example 2) provided with the electrode and the electrolyte has a typical titanium dioxide (TiO 2 (B)) shape, and its differential curve (dQ / dV) is It had only one peak below 2V.

以上のように、本実施形態に係る二酸化チタンは、リチウムイオン二次電池の電極材料として用いたときに、優れた初期放電容量及び初期充放電効率を示すリチウムイオン二次電池を提供することができるという作用効果を奏する。また、本実施形態に係る二酸化チタンは、リチウムイオン二次電池の電極材料として用いたときに、結晶内でのリチウムイオンの拡散距離が短く、且つ、チタン酸を高温で熱処理して合成しているために、電解液の分解に伴う不可逆容量も小さくなるという作用効果を奏する。   As described above, the titanium dioxide according to the present embodiment can provide a lithium ion secondary battery exhibiting excellent initial discharge capacity and initial charge / discharge efficiency when used as an electrode material of a lithium ion secondary battery. There is an effect of being able to. In addition, when titanium dioxide according to this embodiment is used as an electrode material for a lithium ion secondary battery, the diffusion distance of lithium ions in the crystal is short, and the titanium dioxide is synthesized by heat treatment at high temperature. Therefore, the irreversible capacity accompanying the decomposition of the electrolytic solution is reduced.

なお、本実施形態においては、リチウムイオン二次電池の負極活物質として二酸化チタンを用いる場合について説明したが、ハイブリッドキャパシタの負極活物質として二酸化チタンを用いてもよい。
ここで、ハイブリッドキャパシタは、2つの電極のうち、一方の電極に電気二重層を使用し、他方の電極にレドックス反応(酸化還元反応)を使用したものである。
特に、ハイブリッドキャパシタの一例としては、正極に電気二重層を使用し、負極にリチウムイオン二次電池を使用したリチウムイオンキャパシタがある。
即ち、本実施形態に係る二酸化チタンを負極活物質として用いたリチウムイオン二次電池からなる負極と、活性炭等の炭素材料の正極とを組み合わせることで、ハイブリッドキャパシタ(リチウムイオンキャパシタ)に適用することができる。
なお、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池を用いた負極の電位が1.6V程度であるために、平均電圧が1.4Vとなる活性炭を正極とするハイブリッドキャパシタ(リチウムイオンキャパシタ)や平均電圧が2.5V以上となる黒鉛を正極とするハイブリッドキャパシタを作成することができる。
In the present embodiment, the case where titanium dioxide is used as the negative electrode active material of the lithium ion secondary battery has been described. However, titanium dioxide may be used as the negative electrode active material of the hybrid capacitor.
Here, the hybrid capacitor is one in which an electric double layer is used for one of two electrodes and a redox reaction (redox reaction) is used for the other electrode.
In particular, as an example of a hybrid capacitor, there is a lithium ion capacitor that uses an electric double layer for a positive electrode and a lithium ion secondary battery for a negative electrode.
That is, by combining a negative electrode composed of a lithium ion secondary battery using titanium dioxide according to the present embodiment as a negative electrode active material and a positive electrode of a carbon material such as activated carbon, it is applied to a hybrid capacitor (lithium ion capacitor). Can do.
In addition, since the potential of the negative electrode using the lithium ion secondary battery according to the present embodiment is about 1.6 V, a hybrid capacitor (lithium ion capacitor) with an active carbon having an average voltage of 1.4 V as a positive electrode or an average A hybrid capacitor having graphite as a positive electrode with a voltage of 2.5 V or more can be produced.

Claims (6)

アルカリ金属を含有するチタン酸化物から生成される一次粒子の集合体としての微結晶集合体である二酸化チタンであって、
前記一次粒子が、層状構造を有し、粒子径を1μm以下とする球状粒子であり、
前記微結晶集合体が、配向性を有しないことを特徴とする二酸化チタン。
Titanium dioxide is a microcrystalline aggregate as an aggregate of primary particles generated from titanium oxide containing an alkali metal,
The primary particles are spherical particles having a layered structure and having a particle diameter of 1 μm or less,
The titanium dioxide is characterized in that the microcrystalline aggregate has no orientation.
請求項1に記載の二酸化チタンにおいて、
前記一次粒子が、前記チタン酸化物を500℃〜800℃で焼成して生成されることを特徴とする二酸化チタン。
In the titanium dioxide according to claim 1,
Titanium dioxide, wherein the primary particles are produced by firing the titanium oxide at 500 ° C to 800 ° C.
請求項1又は2に記載の二酸化チタンにおいて、
ラマンスペクトルにおける367cm−1のピークが、ラマンスペクトルにおける410cm−1のピークのショルダーピークとして現れることを特徴とする二酸化チタン。
In the titanium dioxide according to claim 1 or 2,
Titanium dioxide peak of 367cm -1 in the Raman spectrum, characterized in that appears as a shoulder peak of the 410cm -1 in the Raman spectrum.
請求項1乃至3のいずれかに記載の二酸化チタンを負極活物質とすることを特徴とするリチウムイオン二次電池。   A lithium ion secondary battery comprising the titanium dioxide according to any one of claims 1 to 3 as a negative electrode active material. 請求項4に記載のリチウムイオン二次電池を負極とすることを特徴とするハイブリッドキャパシタ。   A hybrid capacitor comprising the lithium ion secondary battery according to claim 4 as a negative electrode. アルカリ金属を含有するチタン酸化物を500℃〜800℃で焼成する焼成工程と、
前記焼成されたチタン酸化物を酸性水溶液に含浸してチタン酸を生成するチタン酸生成工程と、
前記生成したチタン酸を焼成して二酸化チタンを生成する二酸化チタン生成工程と、
を含むことを特徴とする二酸化チタンの製造方法。
A baking step of baking an alkali metal-containing titanium oxide at 500 ° C. to 800 ° C .;
A titanic acid production step of impregnating the calcined titanium oxide in an acidic aqueous solution to produce titanic acid;
A titanium dioxide production step of firing the produced titanic acid to produce titanium dioxide;
The manufacturing method of the titanium dioxide characterized by including.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017013718A1 (en) * 2015-07-17 2017-01-26 株式会社 東芝 Non-aqueous electrolyte battery and battery pack
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CN107112579A (en) * 2015-07-17 2017-08-29 株式会社东芝 Nonaqueous electrolyte battery and battery bag

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